Reflexão
Parte de nossa rotina matinal quase sempre envolve o uso de um espelho. O que você vê naquele espelho é o seu reflexo, e o que está realmente sendo refletido de volta para você é a luz. A direção em que a luz é refletida é muito previsível e muito útil para nós mais do que apenas olhar para nossa imagem no espelho. Um desses usos modernos de reflexão de luz são os cabos de fibra ótica. Os cabos de fibra óptica usam luz refletida através deles para transmitir informações.
Como estamos transmitindo dados por meio desses cabos de fibra óptica, é importante reduzir a perda de sinal, garantindo que a luz que viaja pelo fio chegue ao seu destino. Uma possível maneira pela qual a luz poderia ser perdida em um cabo de fibra óptica é por meio de um processo chamado reflexão interna total frustrada. Nesta lição, aprenderemos o que é a reflexão interna total frustrada e como ela afeta a luz.
Refração
Mesmo que esta lição seja sobre reflexão, na verdade temos que primeiro entender algo chamado refração. À medida que a luz viaja de um meio para outro, do ar para a água, por exemplo, ela se curva ao entrar no novo meio. Chamamos esse processo de refração .
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Você mesmo pode ver a refração em ação com um copo de água transparente e um lápis. Coloque o lápis parcialmente na água e, se você olhar de perto, verá que ele parece se curvar no local onde entra na água.
O quanto a luz se curva à medida que é refratada ( theta 2 ) depende da velocidade da luz em ambos os meios ( v 1 e v 2 ) e do ângulo de incidência do vetor normal, o vetor perpendicular à superfície de um meio, no qual a luz entra no segundo meio ( teta 1 ). Essas quatro variáveis estão todas relacionadas entre si pela Lei de Snell .
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Em vez de saber a velocidade da luz no meio, geralmente recebemos o índice de refração do meio ( n ). Eles são bem conhecidos e exclusivos para cada meio.
Reflexão interna total
Neste ponto, você deve estar se perguntando por que precisamos saber sobre refração para uma aula sobre reflexão. Bem, acontece que a reflexão interna total (TIR) surge devido a algo relacionado à refração, chamado de ângulo crítico.
O ângulo crítico ( theta c ) é o valor do ângulo de incidência que fornece um ângulo de refração de 90 graus do vetor normal.
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Quando temos um valor para o ângulo de incidência maior que o ângulo crítico, e o valor para n 2 é menor que n 1 , a luz não refrata mais para o segundo meio como normal. Neste ponto, a luz é refletida de volta para o primeiro meio.
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Os cabos de fibra ótica de que falamos anteriormente na lição usam TIR para transmitir luz. O interior de um cabo de fibra óptica é um centro de plástico ou vidro cercado por algum revestimento com um índice de refração inferior ao do centro. A luz transmitida através do cabo brilha nele em um ângulo que reflete todo o comprimento do cabo.
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TIR frustrado
Agora que entendemos os conceitos de refração e TIR, podemos finalmente chegar à reflexão interna total frustrada . Quando temos todos os requisitos para TIR atendidos, mas a luz ainda é refratada em vez de refletida, dizemos que o TIR está frustrado. Em um cabo de fibra ótica, isso significaria que alguma luz não conseguiu chegar ao fim do cabo e haveria perda de sinal.
A TIR frustrada ocorre quando um terceiro meio com um índice de refração mais alto do que o segundo é levado extremamente perto do limite entre o primeiro e o segundo meio. Durante a reflexão interna total normal, algo chamado ondas evanescentes são criadas e penetram no segundo meio. Chamamos essas ondas de evanescentes porque elas desaparecem rapidamente. Ao contrário de uma onda de luz normal que se propaga, eles decaem a uma taxa exponencial.
Em condições normais, as ondas evanescentes desaparecem tão rapidamente que a energia não é realmente carregada para fora da fronteira entre os médiuns. No entanto, se um terceiro meio estiver extremamente próximo a esse limite, a onda evanescente pode penetrar nele e criar uma onda de propagação. Desta forma, a luz que deveria ter sido refletida é refratada.
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Embora o TIR frustrado seja ruim para cabos de fibra óptica, ele tem seu uso em outra tecnologia. Um exemplo são os scanners de impressão digital. Aqui, o primeiro meio é o scanner, o segundo ar e o terceiro seu dedo. Onde as saliências do seu dedo tocam a luz do scanner, refrata, mas onde não estão tocando a luz é refletida de volta para o scanner. Isso é usado para criar a imagem de sua impressão digital para o scanner ler.
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Resumo da lição
Quando a luz viaja entre dois meios diferentes, ela se curva ao entrar no segundo. Chamamos isso de curvatura de refração da luz , e a quantidade de curvatura da luz é determinada pela lei de Snell.
A lei de Snell nos dá uma relação entre o ângulo de refração ( theta 2 ), o ângulo de incidência ( theta 1 ) e os índices de refração de ambos os meios ( n 1 e n 2 ).
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Sob condições especiais, a luz que normalmente seria refratada pode, em vez disso, ser refletida em um processo denominado reflexão interna total (TIR).
Finalmente, há ainda outra condição especial chamada reflexão interna total frustrada, onde a luz que normalmente deveria ser refletida sob condições TIR ainda refrata. Isso ocorre quando um terceiro meio com um índice de refração maior do que o segundo meio é trazido extremamente perto da fronteira entre o primeiro e o segundo meio. Quando isso acontece, as ondas evanescentes em decadência exponencial se estendem para o terceiro meio e criam ondas de propagação.